第3章 机器零件用钢

1、第第3 3章章 机器零件用钢机器零件用钢 机器零件用钢？机器零件用钢？用来制作各种机器零件的钢。用来制作各种机器零件的钢。如：机器上的轴类，齿轮、弹簧、轴承、紧固件等等。种类多，用量大。如：机器上的轴类，齿轮、弹簧、轴承、紧固件等等。种类多，用量大。 受力、工作环境特点？受力、工作环境特点？十分复杂，性能要求高十分复杂，性能要求高；且；且不同零件不同零件受力、工作环境不同，受力、工作环境不同，性能要求也不同性能要求也不同：有可能受拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转、冲击、振动和摩擦等中的一种或多有可能受拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转、冲击、振动和摩擦等中的一种或多种；受力或恒定、或变化，或单向或反复，

2、加载或逐渐或骤然；工作环境或高种；受力或恒定、或变化，或单向或反复，加载或逐渐或骤然；工作环境或高温或低温，有的还在腐蚀介质中使用。温或低温，有的还在腐蚀介质中使用。 性能要求？性能要求？ 高强韧高强韧、耐磨损、耐疲劳、高弹性等、耐磨损、耐疲劳、高弹性等； 将将不同碳、合金元素不同碳、合金元素的钢的钢淬火淬火成成M后再后再回火回火形成不同的组织状态是机器零形成不同的组织状态是机器零 件用钢件用钢制备的基本思路制备的基本思路 。 为了充分为了充分M化，所用钢还需有较高的化，所用钢还需有较高的淬透性淬透性。第第1 1节节 机器零件用钢的强韧化机器零件用钢的强韧化一、性能要求一、性能要求 机器零件失

3、效形式：过量变形、表面损伤、脆性断裂等。机器零件失效形式：过量变形、表面损伤、脆性断裂等。性能要求：塑性变形抗力、韧性、抗疲劳、抗冲击、抗接触疲劳和耐磨等性能要求：塑性变形抗力、韧性、抗疲劳、抗冲击、抗接触疲劳和耐磨等 最基本要求最基本要求是是在具有尽可能高的强度的同时具有足够的韧性在具有尽可能高的强度的同时具有足够的韧性。措施：措施：M相变回火转变相变回火转变回火回火M 固溶强化、沉淀强化、相变强化（细固溶强化、沉淀强化、相变强化（细 化、过饱和）化、过饱和）高强韧高强韧二、合金元素的作用二、合金元素的作用 钢的钢的淬透性淬透性是指是指A化后的钢在淬火时获得化后的钢在淬火时获得M的能力，其大

4、小用钢在一定条的能力，其大小用钢在一定条 件下淬火获得的淬透层的深度表示。件下淬火获得的淬透层的深度表示。 试验结果表明试验结果表明,不同成分的机器零件用钢完全淬透再回火到相同的硬度时不同成分的机器零件用钢完全淬透再回火到相同的硬度时, 其各种常规力学性能（强度、塑性）都大致相同其各种常规力学性能（强度、塑性）都大致相同,此规律称为此规律称为淬火回火钢淬火回火钢 力学性能相似性力学性能相似性。说明机器零件用钢中的合金元素并不是直接赋予钢某项。说明机器零件用钢中的合金元素并不是直接赋予钢某项 力学性能，而是保证钢有尽可能高的淬透性，使钢在一定的淬火条件下获力学性能，而是保证钢有尽可能高的淬透性，

5、使钢在一定的淬火条件下获 得足够的得足够的M，而，而M量的多少对钢的综合力学性能有重要影响。量的多少对钢的综合力学性能有重要影响。 一般，机器零件用钢要求较高的淬透性，在同样条件下得到更多的一般，机器零件用钢要求较高的淬透性，在同样条件下得到更多的M ,回回 火后得到较好的综合力学性能。火后得到较好的综合力学性能。（一）机器零件用钢的淬透性（一）机器零件用钢的淬透性淬透性淬透性 是否淬透对钢性能的影响：是否淬透对钢性能的影响：完全与未完全淬透的钢，热处理至相同的完全与未完全淬透的钢，热处理至相同的b时，前者时，前者S高（高（屈强比屈强比）；）；处理至相同硬度，未完全淬透的钢处理至相同硬度，未完

6、全淬透的钢疲劳强度疲劳强度低；低；回火至相似硬度，淬透的钢回火至相似硬度，淬透的钢冲击韧性冲击韧性高，高， TK低。低。（二）合金元素对钢淬透性的作用（二）合金元素对钢淬透性的作用镍、硅、铬、钼、锰、硼镍、硅、铬、钼、锰、硼多合金元素综合作用不是简单的叠加，而是强烈得多。多合金元素综合作用不是简单的叠加，而是强烈得多。注意：只有溶入注意：只有溶入A合金元素才起作用；以碳化物的形态存在反而合金元素才起作用；以碳化物的形态存在反而淬透性。淬透性。增强增强（三）合金元素对机器零件用钢的其它作用（三）合金元素对机器零件用钢的其它作用1.提高回火稳定性提高回火稳定性硅铬钼钨钒钛硅铬钼钨钒钛推迟回火转变推

7、迟回火转变回火稳定性回火稳定性回火回火：M过饱和度过饱和度，消除应力，残余，消除应力，残余A分解，分解，塑韧性。塑韧性。更优转变更完全，综合性能回复、残余）相同回火强度（分解相似）强度高（回复，残余相同回火温度ATA2.细化晶粒细化晶粒除锰外，所有常用的合金元素均能细化除锰外，所有常用的合金元素均能细化A晶粒，使钢在热处理后获得较高的晶粒，使钢在热处理后获得较高的综合力学性能。强碳化物形成元素细化晶粒的作用较强。综合力学性能。强碳化物形成元素细化晶粒的作用较强。许多机器零件用钢中都加入了少量钒、钛等元素。许多机器零件用钢中都加入了少量钒、钛等元素。3.固溶强化固溶强化 在钢中未形成碳化物而在钢

8、中未形成碳化物而溶入固溶体溶入固溶体的合金元素的合金元素强化强化F，提高回火提高回火M的力的力学性能学性能。4.防止第二类回火脆防止第二类回火脆合金元素偏聚于晶界。合金元素偏聚于晶界。钨、钼阻止偏聚，减弱或抑制第二类回火脆性的发展。钨、钼阻止偏聚，减弱或抑制第二类回火脆性的发展。5.改善切削性能改善切削性能 在钢中加入一定量的硫、钙、碲、铅、硒等元素，或同时加入其中的某在钢中加入一定量的硫、钙、碲、铅、硒等元素，或同时加入其中的某几个元素，能改善钢的被切削加工性能。这些元素常被称为几个元素，能改善钢的被切削加工性能。这些元素常被称为易切削元素易切削元素。易切削钢：易切削钢：加入易切削元素，改善

9、切削性能的钢。加入易切削元素，改善切削性能的钢。 易切削元素与其它元素形成非金属夹杂或金属间化合物或游离存在，加工易切削元素与其它元素形成非金属夹杂或金属间化合物或游离存在，加工时时 沿加工方向伸长成条状或纺锤状：硬度低，减小切削时把金属撕裂的能沿加工方向伸长成条状或纺锤状：硬度低，减小切削时把金属撕裂的能量，有些有润滑作用，延长刀具寿命。对钢力学性能不利，但对纵向力学性量，有些有润滑作用，延长刀具寿命。对钢力学性能不利，但对纵向力学性能影响不大。易切削钢适用于受力不大，但对尺寸、表面质量要求高的零部能影响不大。易切削钢适用于受力不大，但对尺寸、表面质量要求高的零部件，如仪器、仪表、医疗机械等

10、。件，如仪器、仪表、医疗机械等。 钢中加入一种合金元素往往难于全面改进性能，所以重要的合金钢一般钢中加入一种合金元素往往难于全面改进性能，所以重要的合金钢一般都含多种合金元素，可分都含多种合金元素，可分为主加元素为主加元素和和辅加元素辅加元素。主加元素主加元素：对提高淬透性和综合力学性能起主导作用，硅、锰、铬、镍等：对提高淬透性和综合力学性能起主导作用，硅、锰、铬、镍等 辅加元素辅加元素：加入含有上述主加元素的钢中，进一步改善钢的性能。含量低，：加入含有上述主加元素的钢中，进一步改善钢的性能。含量低， 通常为千分之几，如钼、钨、钒、钛、硼等，但不可忽视。通常为千分之几，如钼、钨、钒、钛、硼等，

11、但不可忽视。三、机器零件用钢的含碳量和热处理工艺选择三、机器零件用钢的含碳量和热处理工艺选择1 不重要的机器零件：不重要的机器零件： 综合力学性能要求不高综合力学性能要求不高 中碳（中碳（0.30.5），正火（细片状），正火（细片状PF）。）。2. 变速箱齿轮等：变速箱齿轮等： 表面要求耐磨高接触疲劳抗力心部要求较高强韧性（承受冲击）表面要求耐磨高接触疲劳抗力心部要求较高强韧性（承受冲击） 渗碳钢，低碳钢或低碳合金钢渗碳渗碳钢，低碳钢或低碳合金钢渗碳淬火低温回火淬火低温回火3. 各类轴、连杆、螺栓等：各类轴、连杆、螺栓等： 综合力学性能要求较高综合力学性能要求较高 调质钢，中碳或中碳合金钢调质

12、钢，中碳或中碳合金钢调质处理调质处理(淬火高温回火淬火高温回火) 高强高韧高强高韧4. 要求更高强度时：要求更高强度时： 对含碳量较低的合金调质钢，可适当牺牲韧性，淬火低温回火对含碳量较低的合金调质钢，可适当牺牲韧性，淬火低温回火5. 弹簧钢：弹簧钢： 要求高弹性极限高疲劳强度要求高弹性极限高疲劳强度 较高含碳量（较高含碳量（0.60.9）的碳素钢和合金钢）的碳素钢和合金钢淬火中温回火淬火中温回火6. 轴承：轴承： 高硬度高耐磨性高接触疲劳抗力适当的韧性高硬度高耐磨性高接触疲劳抗力适当的韧性 高碳（高碳（0.951.15）滚动轴承钢）滚动轴承钢淬火低温回火淬火低温回火第第2 2节节 渗碳钢渗碳

13、钢一、组织性能一、组织性能渗碳钢渗碳钢：经渗碳处理后使用的钢种。：经渗碳处理后使用的钢种。问题问题：汽车、拖拉机变速箱等汽车、拖拉机变速箱等齿轮齿轮，根部受交变弯曲应力，齿面接触疲劳、磨损，齿，根部受交变弯曲应力，齿面接触疲劳、磨损，齿牙受冲击。齿轮主要的失效形式是齿面磨损和剥落以及齿牙断裂。牙受冲击。齿轮主要的失效形式是齿面磨损和剥落以及齿牙断裂。要求要求：齿轮用钢应有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，高的耐磨性，心部组织还应齿轮用钢应有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，高的耐磨性，心部组织还应有较高的强韧性以防止齿轮断裂。有较高的强韧性以防止齿轮断裂。措施措施：低碳钢或低碳合金钢低碳钢或低碳合

14、金钢经渗碳经渗碳淬火低温回火。淬火低温回火。渗碳后（成分）渗碳后（成分）： 表面至心部由高碳表面至心部由高碳(0.8-1.1)至低碳至低碳(010- 025) 连续过渡；连续过渡；组织性能组织性能（经淬火低温回火后）（经淬火低温回火后） ： 表面表面组织为回火组织为回火M和细粒状碳化物及和细粒状碳化物及少量残余少量残余A，高硬度，高硬度+高耐磨性高耐磨性+高接触高接触疲劳强度。疲劳强度。 心部心部仍为低碳，组织为低碳仍为低碳，组织为低碳M(淬透的条件下淬透的条件下)或低碳或低碳M加加F(未淬透未淬透)，具有较，具有较高的强韧性。高的强韧性。 此外此外，由于表层和心部的，由于表层和心部的M转变量

15、和含碳量不同，还会在表层形成有利的残转变量和含碳量不同，还会在表层形成有利的残余余压应力压应力，显著提高钢的弯曲疲劳强度，提高齿轮的疲劳寿命。，显著提高钢的弯曲疲劳强度，提高齿轮的疲劳寿命。二、渗碳钢化学成分二、渗碳钢化学成分（一）低（一）低C 0.10.25（渗（渗C前，即渗前，即渗C零件中心零件中心C含量）含量） 过低：心部强度不足，且表面过低：心部强度不足，且表面中心中心C浓度梯度过大，表面渗浓度梯度过大，表面渗C层易脱层易脱 过高：心部塑韧性低，且过高：心部塑韧性低，且表面层有利的压应力，表面层有利的压应力，弯曲疲劳强度弯曲疲劳强度（二）合金元素的作用（二）合金元素的作用 1.淬透性淬

16、透性 心部强度取决于钢的含心部强度取决于钢的含C量与淬透性。淬透性足够时，心部得到全部低碳量与淬透性。淬透性足够时，心部得到全部低碳M，获得满意的强韧性，否则心部为获得满意的强韧性，否则心部为M转变，转变，承载能力。承载能力。 常单独或复合加入铬、镍、锰、钼、钨、硼提高其淬透性。钢中加入微量常单独或复合加入铬、镍、锰、钼、钨、硼提高其淬透性。钢中加入微量硼硼(0.001-0004)就能明显就能明显淬透。硼的作用随钢含淬透。硼的作用随钢含C量减低而增加。量减低而增加。 渗碳钢发展历程：碳素钢渗碳钢发展历程：碳素钢单合金化单合金化复合合金化复合合金化2.改进渗改进渗C性能性能 渗渗C：渗：渗C温度

17、下（温度下（A状态），由渗状态），由渗C介质分解出的活性介质分解出的活性C原子被钢表面吸原子被钢表面吸收后向内扩散，形成一定的收后向内扩散，形成一定的C浓度梯度。浓度梯度。 碳化物形成元素（碳化物形成元素（Cr、Mo、W等）：等）：表面吸收表面吸收C能力，能力，C在在A中扩散，中扩散，渗碳层渗碳层C含量分布变陡；含量分布变陡； 非碳化物形成元素（非碳化物形成元素（Ni、Si）：作用则相反。）：作用则相反。 两类元素合理搭配：即加快渗碳速度，较快获得必要的表面碳浓度及渗碳两类元素合理搭配：即加快渗碳速度，较快获得必要的表面碳浓度及渗碳层厚度，又能避免形成过陡的碳浓度梯度或形成有害的块状碳化物。层

18、厚度，又能避免形成过陡的碳浓度梯度或形成有害的块状碳化物。 但但Si使渗使渗C困难，一般不加入。困难，一般不加入。3. 晶粒细化晶粒细化 渗碳一般在渗碳一般在900-950高温下进行，时间可能长达高温下进行，时间可能长达10h以上。以上。因此，常加入少量的强碳化物形成元素（钒、钛等），以阻止因此，常加入少量的强碳化物形成元素（钒、钛等），以阻止A晶粒长大晶粒长大。4. 对表层碳化物形态的不同影响对表层碳化物形态的不同影响 强碳化物形成元素强碳化物形成元素钒、钨、钼钒、钨、钼及及非碳化物形成元素非碳化物形成元素硅硅易使表层碳化物呈长易使表层碳化物呈长条状或网状分布，增大表层的脆性；条状或网状分布

19、，增大表层的脆性； 而而中等碳化物形成元素中等碳化物形成元素铬铬则易使碳化物呈粒状分布，甚至在表面则易使碳化物呈粒状分布，甚至在表面C浓度高达浓度高达2-3情况下，韧性也不明显下降，并能改善钢的耐磨性和接触疲劳抗力。情况下，韧性也不明显下降，并能改善钢的耐磨性和接触疲劳抗力。三、常用渗碳钢及热处理三、常用渗碳钢及热处理（一）常用渗（一）常用渗C钢钢 1. 常用牌号、牌号写法与符号意义常用牌号、牌号写法与符号意义 钢号 C Mn Si Cr Ni V B 渗碳 一次淬火 二次淬火 降温淬火 冷却剂 回火 硬度 20 0.170.24 0.350.65 0.170.37 900920 780820

20、 水 150200 5662 20Mn2 0.170.24 1.401.80 0.170.37 910930 850870 水，油 150175 5459 20MnV 0.170.24 1.301.60 0.170.37 0.070.12 930 880 810 油 190 5660 15Cr 0.120.18 0.400.70 0.170.37 0.701.00 900920 860890 870 水，油 190 5662 20Cr 0.180.24 0.500.80 0.170.38 0.701.00 900920 860890 水，油 180 5662 20CrV 0.170.23 0.

21、500.80 0.170.37 0.801.10 0.100.20 900925 870900 820840 油 150220 5863 20Mn2B 0.170.24 1.500.80 0.00050.0035 920930 860880 油 220 5662 15MnVB 0.120.18 1.201.60 0.170.37 0.070.12 0.00050.0035 920940 870890 840860 油 200 ?58 20MnVB 0.170.23 1.201.60 0.170.37 0.070.12 0.00050.0035 900930 860880 800830 油 19

22、0 5662 20MnTiB 0.170.24 1.301.60 0.170.37 Ti0.040.10 0.00050.0035 930970 860890 830840 油 200 5262 20CrMn 0.170.23 0.901.20 0.170.37 0.901.20 900930 820840 油 190 5662 20CrMnTi 0.170.23 0.801.10 0.170.37 1.001.30 Ti0.040.10 930950 870890 850 油 190 5662 20CrMnMo 0.170.23 0.901.20 0.170.37 1.101.40 Mo0.

23、200.30 900950 830860 油，碱浴 190 ?58 12Cr2Ni4 0.100.16 0.300.60 0.170.37 1.251.65 3.253.65 900930 840860 770790 油 150200 ?58 20Cr2Ni4 0.170.23 0.300.60 0.170.37 1.251.65 3.253.65 900950 880 780 190 ?58 18Cr2Ni4W 0.130.19 0.300.60 0.170.37 1.351.65 4.004.50 W0.81.20 900930 780800 （高温回火后） 油，空气 190 5862 注

24、意牌号与普低钢的区别注意牌号与普低钢的区别2. 分类与用途分类与用途 类 别 常用牌号 应用领域 低淬透性渗碳钢 15、20、20Mn2、20MnV、15Cr、20Cr、20CrV等 适用于负荷不大、 对心部强度要求不高的小型渗碳零件。 如套筒、活塞销、小型机床齿轮、柴油机凸轮轴等。 中淬透性渗碳钢 20CrMnTi 、 20MnVB 、20Mn2B、20CrMn等 适用于中等动负荷截面较大的耐磨零件。 如汽车变速箱齿轮、爪形离合器、蜗杆、花键轴等。 高淬透性渗碳钢 20CrMnMo 、 12Cr2Ni4 、20Cr2Ni4、18Cr2Ni4WA等 制作重载荷、 大截面、 要求高耐磨及良好强韧

25、性的零件。 如航空发动机齿轮、高速柴油机曲轴、连杆、内燃机车主动牵引齿轮等。 （二）渗（二）渗C钢钢 的热处理的热处理1.预先热处理预先热处理 正火正火F细片状细片状P组织（硬度组织（硬度179-270HBS）硬度，硬度，切削加工性能。切削加工性能。 合金元素含量较高的，正火高温回火合金元素含量较高的，正火高温回火进一步进一步硬度硬度2. 渗渗C温度：一般在温度：一般在900-950；时间：据渗时间：据渗C方法方法(气体渗碳或固体渗碳气体渗碳或固体渗碳)及技术要求而定。及技术要求而定。3.渗后热处理渗后热处理 渗渗C后后淬火低温回火淬火低温回火高硬度的表层强韧的心部组织。高硬度的表层强韧的心部

26、组织。降温预冷直接淬火降温预冷直接淬火用于过热敏感性不高的低合金渗用于过热敏感性不高的低合金渗C钢。预冷可减小淬火变形，并在预冷时析出钢。预冷可减小淬火变形，并在预冷时析出一些碳化物而一些碳化物而淬后渗层中残余淬后渗层中残余A量，提高表层硬度和疲劳强度。量，提高表层硬度和疲劳强度。预冷温度应高于预冷温度应高于Ar3，以防止心部析出，以防止心部析出F。一次淬火一次淬火碳素渗碳钢或易于过热的合金渗碳钢碳素渗碳钢或易于过热的合金渗碳钢(如如20Mn2、20Mn2B、20Cr等等)，渗后缓，渗后缓冷至室温再重新加热至略高于心部冷至室温再重新加热至略高于心部Ac3温度淬火，称为一次淬火法。温度淬火，称为

27、一次淬火法。目的在于细化心部晶粒并消除表层网状组织。目的在于细化心部晶粒并消除表层网状组织。二次淬火二次淬火此法适于性能要求很高的工件，但工艺复杂，成本较高，目前已不多用。此法适于性能要求很高的工件，但工艺复杂，成本较高，目前已不多用。出现的问题及两种减少残余出现的问题及两种减少残余A方法方法问题：问题： 高淬透性渗碳钢（如高淬透性渗碳钢（如20Cr2Ni4、18Cr2Ni4WA）含有较多的合金元素，）含有较多的合金元素，渗碳后表层渗碳后表层C浓度也很高，将导致钢的浓度也很高，将导致钢的Ms点大幅度下降，使淬火后在表层产点大幅度下降，使淬火后在表层产生大量残余生大量残余A，降低硬度和疲劳强度。

28、，降低硬度和疲劳强度。措施：措施： 在淬火前进行一次或几次高温回火在淬火前进行一次或几次高温回火(高于高于600)，使碳化物从，使碳化物从M和残余和残余A中析出，随后的淬火加热选用较低的加热温度，使这些析出的碳化物不再溶中析出，随后的淬火加热选用较低的加热温度，使这些析出的碳化物不再溶入入A，Ms点回升，减少淬火后残余点回升，减少淬火后残余A; 也可以在淬火后立即进行冷处理也可以在淬火后立即进行冷处理(-60-100)，使残余，使残余A继续转变为继续转变为M; 也可以同时采用上述两种方法减少残余也可以同时采用上述两种方法减少残余A。（三）几种重要的渗碳钢（三）几种重要的渗碳钢 20Cr 使用较

29、广泛使用较广泛，与相应含与相应含C量的碳素渗碳钢相比，有较高的强度和淬透性。渗碳时有晶量的碳素渗碳钢相比，有较高的强度和淬透性。渗碳时有晶粒长大的倾向，一般不采用降温直接淬火。粒长大的倾向，一般不采用降温直接淬火。用于制造心部强度要求较高、表面承受磨损、用于制造心部强度要求较高、表面承受磨损、截面在截面在30mm以下以下或形状复杂但负荷不大或形状复杂但负荷不大的渗碳零件的渗碳零件，如机床变速箱齿轮、齿轮轴、凸轮、活塞销等。，如机床变速箱齿轮、齿轮轴、凸轮、活塞销等。20MnVB性能较好性能较好，淬透性较高（油淬临界直径达，淬透性较高（油淬临界直径达27-53mm）。切削加工性、渗碳及热处理工）

30、。切削加工性、渗碳及热处理工艺性能均良好，高温长时间渗艺性能均良好，高温长时间渗C无晶粒长大现象，渗碳层无晶粒长大现象，渗碳层C浓度梯度平缓，可渗后降温浓度梯度平缓，可渗后降温直接淬火。缺点是淬火变形较大，脱碳现象较多。直接淬火。缺点是淬火变形较大，脱碳现象较多。制造制造尺寸较大、负荷较重零件尺寸较大、负荷较重零件。如重型机床齿轮和轴、汽车后桥齿轮等。如重型机床齿轮和轴、汽车后桥齿轮等。 20CrMnTi 油淬临界直径油淬临界直径12-30，渗碳热处理后有硬而耐磨的表面与强韧的心部，并具有较高的低，渗碳热处理后有硬而耐磨的表面与强韧的心部，并具有较高的低温冲击韧度。过热敏感性小，渗碳速度快，过

31、渡层均匀，可温冲击韧度。过热敏感性小，渗碳速度快，过渡层均匀，可降温直接淬火降温直接淬火，淬火变形，淬火变形小。小。可与可与20MnVB等钢互作代用等钢互作代用钢，用于截面钢，用于截面小于小于30mm高速并承受中、重负荷及冲击、高速并承受中、重负荷及冲击、摩擦的重要渗碳零件。摩擦的重要渗碳零件。 18Cr2Ni4WA高强度、高韧性、高淬透性的高级中合金渗碳钢高强度、高韧性、高淬透性的高级中合金渗碳钢，油中淬火，油中淬火200mm以下截面可完全淬以下截面可完全淬透，空气中完全淬透直径达透，空气中完全淬透直径达110-130mm。渗碳淬火低温回火后表面有高硬度和高耐磨。渗碳淬火低温回火后表面有高硬

32、度和高耐磨性，心部有很高的强度和韧性，是渗碳钢中力学性能最好的钢种。渗碳后淬火前应先性，心部有很高的强度和韧性，是渗碳钢中力学性能最好的钢种。渗碳后淬火前应先620-660高温回火高温回火(1至至3次次)，促使碳化物析出，减少淬火后残余，促使碳化物析出，减少淬火后残余A量，同时改善钢的切量，同时改善钢的切削加工性能。用于制造航空发动机和高速柴油机上的重负荷和耐磨零件等削加工性能。用于制造航空发动机和高速柴油机上的重负荷和耐磨零件等第第3节节 调质钢调质钢一、调质钢及其组织、性能特点一、调质钢及其组织、性能特点 调质钢：调质钢： 经调质处理后使用的中碳钢或中碳合金钢。经调质处理后使用的中碳钢或中

33、碳合金钢。 应用领域及工作条件：应用领域及工作条件： 机床主机床主轴轴、汽车拖拉机后桥半轴、柴油机曲轴、汽车拖拉机后桥半轴、柴油机曲轴、连杆连杆等等 工作时工作时负荷经常变动负荷经常变动，有时还有，有时还有冲击冲击，在轴颈或花键等部位还存在较，在轴颈或花键等部位还存在较 剧烈剧烈摩擦摩擦。 要求较高要求较高强度强度(屈服强度和疲劳强度屈服强度和疲劳强度)，局部的，局部的耐磨性耐磨性及较好的及较好的韧性韧性。 材料及热处理方式：材料及热处理方式：中碳钢调质处理（较渗碳钢强韧性好，综合力学性能好）中碳钢调质处理（较渗碳钢强韧性好，综合力学性能好）调质：淬火高温回火（调质：淬火高温回火（500650

34、） 回火索氏体：细晶过饱和回火索氏体：细晶过饱和F均匀弥散粒状碳化物均匀弥散粒状碳化物 良好综合力学性能塑韧性细晶转变而来的淬火塑韧性性，裂纹在局部形成的可能组织均匀高屈服强度、疲劳强度弥散强化与固溶强化FM二、调质钢的化学成分二、调质钢的化学成分（一）中碳（一）中碳（0.3-0.5）C含量含量过低过低，弥散强化和固溶强化作用不足，强度下降；，弥散强化和固溶强化作用不足，强度下降；C含量含量过高过高，损害钢的塑性和韧性。，损害钢的塑性和韧性。满足强度的条件下，尽可能满足强度的条件下，尽可能C含量，以含量，以塑韧性。塑韧性。（二）合金元素的作用（二）合金元素的作用1 1） 淬透性淬透性单独或复合

35、加入锰、铬、镍、钼、硅、硼等。单独或复合加入锰、铬、镍、钼、硅、硼等。40钢水淬临界直径仅钢水淬临界直径仅10-15，40CrMnMo、40CrNiMo钢油淬临界直径分别达到钢油淬临界直径分别达到60和和70。淬透性淬透性截面力学性能均匀截面力学性能均匀可使用较缓和的介质，可使用较缓和的介质，淬火变形开裂淬火变形开裂2 2） 固溶强化固溶强化合金元素溶入合金元素溶入F形成置换固溶体，硅、锰、镍强化效果最显著。形成置换固溶体，硅、锰、镍强化效果最显著。3 3） 防止第二类回火脆性防止第二类回火脆性高温回火温度正好处于第二类回火脆温度范围，钢中锰、镍、铬、硅、磷高温回火温度正好处于第二类回火脆温度

36、范围，钢中锰、镍、铬、硅、磷会增大回火脆性倾向。会增大回火脆性倾向。措施：除在回火后快冷外，还可加入抑制第二类回火脆的钼或钨。一般措施：除在回火后快冷外，还可加入抑制第二类回火脆的钼或钨。一般Mo0.2-0.3或或W0.6-0.8，这对于较大截面的调质零件特别有意义这对于较大截面的调质零件特别有意义。 4 4） 细化晶粒细化晶粒加入碳化物形成元素钨、钼、钒、钛，可有效地阻止加入碳化物形成元素钨、钼、钒、钛，可有效地阻止A晶粒长大，使最终组晶粒长大，使最终组织细化，提高强韧性。织细化，提高强韧性。为什么？为什么？三、常用调质钢三、常用调质钢钢 号 C M n Si Cr N i M o V B

37、淬 火 回 火 b s IK 退 火硬 度 用 途 45 0.42-0.50 0.50-0.80 0.17-0.37 840 水 600 空 600 355 16 50 197 普 通 机 床 主 轴 ， 齿 轮 ， 曲 轴 ，活 塞 销 等 45M n2 0.42-0.49 1.40-1.80 0.20-0.40 840 水 540 水 885 735 12 70 217 代 替 40Cr 作 直 径 ? 50m m 的重 要 螺 栓 和 轴 类 件 等 35SiM n 0.32-0.40 1.10-1.40 1.10-1.40 900 水 570 水 ，油 885 735 15 60 22

38、9 除 低 温 韧 性 稍 差 外 ， 可 全 面代 替40Cr或 部 分 代 替40CrN 40M nB 0.37-0.44 1.10-1.40 0.20-0.40 0.001-0.0035 850 油 500 水 ，油 980 785 10 60 207 代 替 40Cr 制 中 ， 小 截 面 调质 零 件 40M nV B 0.37-0.44 1.10-1.40 0.20-0.40 0.05-0.10 0.001-0.004 850 油 520 水 ，油 980 785 10 60 207 代 替 40Cr 制 造 重 要 调 质 零件 ， 如 轴 ， 齿 轮 等 40Cr 0.37-

39、0.45 0.50-0.80 0.20-0.40 0.80-1.10 850 油 520 水 ，油 980 785 9 60 207 重 要 调 质 零 件 ， 如 汽 车 半轴 ，转 向 节 ，机 床 齿 轮 ，轴 ，蜗 杆 ， 曲 轴 ， 重 要 螺 栓 等 38CrSi 0.35-0.43 0.30-0.60 1.00-1.30 1.30-1.60 900 油 600 水 ，油 980 835 12 70 255 制 造 直 径30 40m m要 求较 高 的 调 质 零 件 35CrM o 0.32-0.40 0.40-0.70 0.20-0.40 0.80-1.10 0.15-0.2

40、5 850 油 550 水 ，油 980 835 12 80 229 制 作 高 负 荷 的 重 要 调 质 零件 及 较 高 温 度 下 的 锅 炉 螺栓 等 40CrM n 0.37-0.45 0.90-1.20 0.17-0.37 0.80-1.10 840 油 550 水 ，油 980 835 9 60 229 与 40CrN i 互 换 制 作 较 大 截面 调 质 零 件 30CrM nSi 0.27-0.34 0.80-1.10 0.90-1.20 0.80-1.10 880 油 520 水 ，油 1080 885 10 50 229 制 作 高 速 高 负 荷 的 调 质 件

41、，如 砂 轮 轴 ， 离 合 器 等 40CrN i 0.37-0.44 0.50-0.80 0.20-0.40 0.47-0.75 1.00-1.40 820 油 500 水 ，油 980 785 10 70 241 制 作 较 大 截 面 重 要 的 曲 轴 ，主 轴 ， 连 杆 等 38CrM oA L 0.35-0.42 0.30-0.60 0.20-0.40 1.35-1.65 0.15-0.25 A L0.701.10 940水 ，油 640 水 ，油 980 835 14 90 229 制 作 氮 化 零 件 如 精 密 丝 杆 ，高 压 阀 门 ，量 规 ，气 缸 套 等 37

42、CrN i3 0.34-0.41 0.30-0.60 0.20-0.40 1.20-1.60 3.00-3.50 820 油 500 水 ，油 1130 980 10 60 269 制 作 大 截 面 重 负 荷 受 冲 击的 调 质 零 件 37SiM n2M oVA 0.33-0.39 1.60-1.90 0.60-0.90 0.40-0.50 0.50-0.12 870水 ，油 650 水 ，空 980 835 12 80 269 大 截 面 重 负 荷 的 重 要 零 件 ，可 代 替 40CrN iM oA 使 用 40CrM nM o 0.37-0.45 0.90-1.20 0.2

43、0-0.40 0.90-1.20 0.20-0.30 850 油 600 水 ，油 980 785 10 80 217 可 代 替 40CrN iM oA 使 用 40CrN iM oA 0.37-0.44 0.50-0.80 0.20-0.40 0.60-0.90 1.25-1.75 0.15-0.25 850 油 600 水 ，油 980 835 12 100 269 重 型 机 械 中 高 负 荷 直 径 大于 250m m 轴 ， 叶 片 等 及 温度 超 过 400?的 转 子 轴 等 45CrN iM oVA 0.42-0.49 0.50-0.80 0.20-0.40 0.80-1

44、.10 1.30-1.80 0.200.30 0.10-0.20 860 油 460 水 ，油 1470 1325 7 40 269 制 作 飞 机 发 动 机 曲 轴 ， 大梁 ， 起 落 架 等 高 强 度 零 部 件 25Cr2N i4WA 0.21-0.28 0.30-0.60 0.17-0.37 1.35-1.65 4.00-1.50 W 0.801.20 850 油 550 水 ，油 1080 930 11 90 269 制 作 大 截 面 高 负 荷 的 重 要调 质 件 注意牌号，注意牌号，C含量与渗碳钢的区别含量与渗碳钢的区别几种常用调质钢简介几种常用调质钢简介1） 45钢钢

45、淬透性低淬透性低，水淬有形成，水淬有形成裂纹倾向裂纹倾向，零件直径零件直径80mm时，调质状态与正火状态时，调质状态与正火状态力学性能相近，所以力学性能相近，所以只适于中、小型零件只适于中、小型零件。还适于高频或火焰表面淬火，部分代替渗碳钢制造一些耐磨零件。还适于高频或火焰表面淬火，部分代替渗碳钢制造一些耐磨零件。2） 40Cr钢钢最常用的合金调质钢，最常用的合金调质钢， 与与45钢相比，具有钢相比，具有较高淬透性较高淬透性，调质后有，调质后有 较高的屈服较高的屈服强度、疲劳强度、韧性。强度、疲劳强度、韧性。450-680间回火产生间回火产生第二类回火脆第二类回火脆。淬火中温回火：制造承受高负

46、荷、冲击及中等速度工作的机器零件；淬火中温回火：制造承受高负荷、冲击及中等速度工作的机器零件；淬火低温回火：制造承受重负荷、低冲击、耐磨，截面厚度淬火低温回火：制造承受重负荷、低冲击、耐磨，截面厚度25零件；零件； 调质及高频表面淬火：制造较高表面硬度、耐磨、不受很大冲击的零件；调质及高频表面淬火：制造较高表面硬度、耐磨、不受很大冲击的零件；调质及经碳氮共渗，传动、承受重负荷的较大或大截面的机器零件。调质及经碳氮共渗，传动、承受重负荷的较大或大截面的机器零件。3） 35 CrMo钢钢淬透性比淬透性比40Cr好好，高高s、疲劳强度、疲劳强度、IK、高温蠕变强度、持久强度、低温韧、高温蠕变强度、持

47、久强度、低温韧性性。属。属细晶粒钢细晶粒钢，且，且淬火变形小淬火变形小。适于承受。适于承受重负荷较大或大截面重负荷较大或大截面零件。零件。 也可在高中频表面淬火或淬火及低、中温回火后使用，用在高负荷的重要也可在高中频表面淬火或淬火及低、中温回火后使用，用在高负荷的重要机器零件，特别是受冲击、振动、弯曲、扭转负荷的机件；还适用于工作温机器零件，特别是受冲击、振动、弯曲、扭转负荷的机件；还适用于工作温度较高的锅炉用螺栓、螺母等。度较高的锅炉用螺栓、螺母等。4） 40CrNiMoA钢钢高强度、高韧性和良好的淬透性高强度、高韧性和良好的淬透性。一般经调质后使用，。一般经调质后使用，制作要求强度高、韧制

48、作要求强度高、韧性好及大尺寸的重要零件性好及大尺寸的重要零件；也可以用于工作温度超过；也可以用于工作温度超过400的转子轴和叶片等的转子轴和叶片等；此外还可进行渗氮处理制成有特殊性能的重要零件。；此外还可进行渗氮处理制成有特殊性能的重要零件。四、调质钢的热处理四、调质钢的热处理 1.1.预先热处理预先热处理调质钢热加工后可能为调质钢热加工后可能为F F和细片和细片P P，也可能出现，也可能出现M M。前者加热至前者加热至AcAc3 3以上完全退火以上完全退火( (若碳、合金元素含量较低，可用正火代替若碳、合金元素含量较低，可用正火代替) )，以，以细化晶粒、减轻带状程度，改善切削加工性能；细化

49、晶粒、减轻带状程度，改善切削加工性能；对于后者应在正火后，再于对于后者应在正火后，再于A Ac1c1以下高温回火，降低硬度，便于切削加工。以下高温回火，降低硬度，便于切削加工。 2.最终热处理最终热处理1） 淬火淬火因调质钢是亚共析钢，其淬火温度应因调质钢是亚共析钢，其淬火温度应AC3，具体温度由钢的成分确定。，具体温度由钢的成分确定。淬火介质据钢的淬透性和零件尺寸形状而定，一般都在油中淬火。淬火介质据钢的淬透性和零件尺寸形状而定，一般都在油中淬火。 2）回火）回火A高温回火：高温回火： 一般一般500-650，得回火索氏体，获得较高强度、塑性、韧性，得回火索氏体，获得较高强度、塑性、韧性。注

50、意，对于有第二类回火脆倾向的钢，高温回火后应迅速入水。注意，对于有第二类回火脆倾向的钢，高温回火后应迅速入水(油油)冷却。冷却。 B低温回火：当零件要求很高的强度低温回火：当零件要求很高的强度(b=1600-1800MPa)时，只有适当牺牲时，只有适当牺牲塑性，在塑性，在200-250回火，获得中碳回火马氏体组织。回火，获得中碳回火马氏体组织。3） 渗氮渗氮如果调质零件还需要高耐磨性、更好的疲劳强度，可在调质后渗氮处理。此时如果调质零件还需要高耐磨性、更好的疲劳强度，可在调质后渗氮处理。此时一般选用合金调质钢，广泛使用的是一般选用合金调质钢，广泛使用的是38CrMoAl。五、调质钢的发展动向（

51、自学）五、调质钢的发展动向（自学）第第4节节 弹簧钢弹簧钢一、弹簧钢一、弹簧钢1.1.弹簧钢及其组织性能弹簧钢及其组织性能弹簧钢：弹簧钢：用于制造各种弹簧的钢种。用于制造各种弹簧的钢种。主要作用：主要作用：利用其弹性变形吸收冲击能量，减轻机械振动和冲击；储存能量，利用其弹性变形吸收冲击能量，减轻机械振动和冲击；储存能量，使机器零件完成规定的动作；使机器零件完成规定的动作；性能要求：性能要求：高弹性极限高弹性极限e(亦可考虑为屈服强度亦可考虑为屈服强度)、高的疲劳强度、良好的工艺、高的疲劳强度、良好的工艺性能（具有一定的塑性以利于成形）、过热敏感性小，不易脱碳等。另外，在性能（具有一定的塑性以利

52、于成形）、过热敏感性小，不易脱碳等。另外，在高温、易蚀条件下工作的弹簧，还应有良好的耐热性和耐蚀性。高温、易蚀条件下工作的弹簧，还应有良好的耐热性和耐蚀性。热处理及组织热处理及组织：较高碳含量的碳素钢或合金钢较高碳含量的碳素钢或合金钢淬火中温回火淬火中温回火回火托氏体回火托氏体回火托氏体：微观宏观内应力已大量消除，回火托氏体：微观宏观内应力已大量消除，相尚未再结晶（仍保持强化状态相尚未再结晶（仍保持强化状态)，由，由M分解产生的大量细微碳化物颗粒分布于分解产生的大量细微碳化物颗粒分布于基体，弥散强化高弹性模基体，弥散强化高弹性模量、屈服强度和疲劳强度。量、屈服强度和疲劳强度。2.2.弹簧钢的化

53、学成分弹簧钢的化学成分 碳素弹簧钢碳素弹簧钢C含量含量0.6-0.9，接近共析成分；，接近共析成分； 合金弹簧钢合金弹簧钢C含量含量0.45-0.70（因合金元素作用，共析点（因合金元素作用，共析点C含量含量） 硅、锰：提高淬透性、强化硅、锰：提高淬透性、强化F基体、提高回火稳定性。基体、提高回火稳定性。 硅提高硅提高e，含量高易石墨化，并引起加热时脱碳；锰增大钢的过热敏感性，含量高易石墨化，并引起加热时脱碳；锰增大钢的过热敏感性。 少量铬、钼、钨、钒等碳化物形成元素：进一步少量铬、钼、钨、钒等碳化物形成元素：进一步淬透性，防止加热时晶粒淬透性，防止加热时晶粒 长大和脱碳，增加回火稳定性及耐热

54、性。长大和脱碳，增加回火稳定性及耐热性。注意牌号写法注意牌号写法二、常用弹簧钢二、常用弹簧钢1. 碳素弹簧钢（碳素弹簧钢（65钢）钢）：淬透性差，只用于制造：淬透性差，只用于制造小截面弹簧小截面弹簧。2. 65 Mn：常用，较：常用，较65钢有较高强度、硬度和淬透性，价格低廉。可制造尺寸钢有较高强度、硬度和淬透性，价格低廉。可制造尺寸稍大的弹簧，如厚度稍大的弹簧，如厚度5-15mm承受中等负荷的板弹簧和直径承受中等负荷的板弹簧和直径7-20mm的螺旋弹簧的螺旋弹簧及弹簧垫圈、弹簧环等零件。及弹簧垫圈、弹簧环等零件。3. 硅锰弹簧钢硅锰弹簧钢：应用很广，因硅显著：应用很广，因硅显著e、屈强比、回

55、火稳定性，并能与锰相、屈强比、回火稳定性，并能与锰相配合配合淬透性。淬透性。60Si2Mn，用于制造铁道车辆、汽车拖拉机上，用于制造铁道车辆、汽车拖拉机上承受较大负荷承受较大负荷的扁形弹簧和直径的扁形弹簧和直径为为20-25mm螺旋弹簧，油淬即可淬透，使用温度不能超过螺旋弹簧，油淬即可淬透，使用温度不能超过250。4. 50CrVA：较高级的弹簧钢，热处理不易过热，无石墨化，回火稳定性很好：较高级的弹簧钢，热处理不易过热，无石墨化，回火稳定性很好，适于制作，适于制作截面截面30mm的的高负荷重要弹簧高负荷重要弹簧及在及在300工作的各种弹簧。工作的各种弹簧。5. 60CrMnBA：有有很好的淬

56、透性很好的淬透性（油淬透（油淬透100-150mm）。适合制作）。适合制作超大型弹簧超大型弹簧，如推土机上的迭板弹簧、船舶上的大型螺旋弹簧和大型扭力弹簧。如推土机上的迭板弹簧、船舶上的大型螺旋弹簧和大型扭力弹簧。6. 30W4Cr2VA：高强度耐热弹簧钢，由于钨、铬、钒的作用，具有：高强度耐热弹簧钢，由于钨、铬、钒的作用，具有良好的室良好的室温和高温力学性能，淬透性特别高，回火稳定性甚好。温和高温力学性能，淬透性特别高，回火稳定性甚好。用于制作用于制作工作温度在工作温度在500以下以下的耐热弹簧，如锅炉主安全阀弹簧、汽轮机汽封弹簧片等。的耐热弹簧，如锅炉主安全阀弹簧、汽轮机汽封弹簧片等。 弹簧

57、钢除用于制作各类弹簧外，还可用于制造弹性零件，如弹性轴、耐冲击弹簧钢除用于制作各类弹簧外，还可用于制造弹性零件，如弹性轴、耐冲击的工模具等。的工模具等。三、三、 弹簧钢的制作及热处理弹簧钢的制作及热处理 1. 热成形热成形 一般用于一般用于大中型和形状复杂弹簧大中型和形状复杂弹簧，热成形后淬火和中温回火热成形后淬火和中温回火。 工艺：工艺：扁钢剪断机械加工扁钢剪断机械加工(倒角钻孔等倒角钻孔等)加热压弯加热压弯淬火中温回火喷丸淬火中温回火喷丸 2. 冷成形冷成形 适用于适用于小尺寸弹簧小尺寸弹簧，用已强化的弹簧钢丝冷成形后再进行去应，用已强化的弹簧钢丝冷成形后再进行去应力退火。力退火。 工艺：

58、工艺： 已经强化的弹簧钢丝绕簧去应力退火磨端面已经强化的弹簧钢丝绕簧去应力退火磨端面喷丸第二次去应力退火发蓝。喷丸第二次去应力退火发蓝。 三种强化工艺：三种强化工艺： 铅浴等温冷拔钢丝；铅浴等温冷拔钢丝； 冷拔钢丝；冷拔钢丝； 油淬回火钢丝。油淬回火钢丝。第第5 5节节 滚动轴承钢滚动轴承钢一、工况及性能要求一、工况及性能要求滚动轴承钢：滚动轴承钢：用于制造滚动轴承套圈和滚动体的钢种。用于制造滚动轴承套圈和滚动体的钢种。工况：工况：轴承旋转时，轴承旋转时，内套内套和和滚珠滚珠发生发生转动转动和和滚动滚动，承受，承受周期性高压负荷周期性高压负荷，迅速，迅速从从零零极大值极大值，又，又极大值极大值

59、零零，存在着，存在着局部应力集中局部应力集中，存在，存在摩擦摩擦、冲击冲击，并与，并与水、润滑剂接触，受一定的水、润滑剂接触，受一定的腐蚀腐蚀。 其损坏形式主要有套圈和滚珠的其损坏形式主要有套圈和滚珠的疲劳剥落、磨损疲劳剥落、磨损、破裂破裂、锈蚀锈蚀等。等。性能要求：性能要求：高的接触疲劳强度和屈服强度。高的接触疲劳强度和屈服强度。高而均匀的硬度和耐磨性。高而均匀的硬度和耐磨性。适当的韧性和耐蚀性。适当的韧性和耐蚀性。采用高碳合金钢。滚动轴承钢还用于制造多种工具和耐磨件。采用高碳合金钢。滚动轴承钢还用于制造多种工具和耐磨件。二、化学成分二、化学成分 1. 高碳高碳 C含量含量0.95-1.15

60、保证了淬硬性，与碳化物形成元素形成高硬度的碳保证了淬硬性，与碳化物形成元素形成高硬度的碳化物，化物，硬度和高耐磨性。硬度和高耐磨性。2. 加入铬、硅、锰加入铬、硅、锰铬：铬：滚动轴承钢中最常用的元素滚动轴承钢中最常用的元素淬透性淬透性；溶于渗碳体形成较稳定的；溶于渗碳体形成较稳定的合金合金渗碳体渗碳体(Fe、Cr)3C，并以细小颗粒状均匀分布在基体上，并以细小颗粒状均匀分布在基体上，耐磨性和接触疲劳耐磨性和接触疲劳强度强度；耐蚀性耐蚀性。控制在。控制在1.65以下，过高会增大碳化物不均匀性。以下，过高会增大碳化物不均匀性。硅、锰：硅、锰：进一步进一步钢的淬透性；硅还可钢的淬透性；硅还可钢的回火